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Nuevo avance para resolver el misterio de los rayos cósmicos

El potente neutrino detectado el año pasado procede de la constelación de Orión


Los astrónomos han identificado el origen de un potente neutrino detectado en 2017: procede de un agujero negro situado en una galaxia de la constelación de Orión, a 4.000 millones de años luz de la Tierra. Un significativo paso para resolver el misterio del origen de los rayos cósmicos.





Imagen real del IceCube Lab, con sus sensores esféricos (llamados DOM) bajo el hielo para detectar neutrinos. / IceCube/NSF
Imagen real del IceCube Lab, con sus sensores esféricos (llamados DOM) bajo el hielo para detectar neutrinos. / IceCube/NSF
Un equipo internacional de científicos ha identificado la procedencia de un neutrino detectado el año pasado con una energía aproximada de 290 billones de electronvoltios: se originó en un agujero negro activo en el centro de una galaxia distante de tipo blazar, denominada TXS 0506 + 056 y situada en la constelación de Orión, a 4.000 millones de años luz de la Tierra.

Esta observación, llamada de tipo multimensajero, podría proporcionar también pistas para resolver el misterio del origen de los rayos cósmicos. La identificación fue posible al combinar una señal detectada por el experimento IceCube, en la Antártida, con medidas del observatorio espacial Fermi-LAT y de los telescopios MAGIC, del Observatorio del Roque de los Muchachos en La Palma, así como de otros instrumentos repartidos por todo el mundo.

Los neutrinos son partículas elementales que prácticamente no interaccionan con el mundo que nos rodea. Aunque son difíciles de detectar, son mensajeros cósmicos importantes, ya que traen consigo información excepcional sobre las regiones donde son producidos. El mayor detector especializado en cazar estas partículas elusivas es IceCube.

Cuando fue detectado el 22 de septiembre de 2017, este neutrino  indicaba que podía haberse originado en un objeto celeste lejano. Además, los científicos pudieron determinar su dirección de llegada con alta precisión. Estas pistas previas se han consolidado y completado con la nueva investigación.

Según explica Razmik Mirzoyan, portavoz de la colaboración MAGIC y científico del Instituto Max Planck de Física en Munich, “la teoría predice que la emisión de neutrinos está acompañada por la emisión de partículas de luz o fotones que son radiación electromagnética que puede detectarse con telescopios”.

Por ese motivo, la alerta del neutrino fue enviada a numerosos instrumentos con la esperanza de que sus observaciones pudiesen discernir el origen de la fuente de la partícula. Fermi-LAT, un observatorio espacial que estudia todo el cielo, comunicó que la dirección del neutrino estaba alineada con una fuente de rayos gamma (fotones de alta energía) a una distancia de 4500 millones de años luz de la Tierra: el blazar TXS 0506+056, un núcleo activo de galaxia con un agujero negro super-masivo que emite flujos de partículas y de radiación muy energética a casi la velocidad de la luz.

Protones de altas energías

Por su parte, MAGIC, a través de dos telescopios Cherenkov de 17 metros que detectan rayos gammas de altas energías, descubrió que la radiación del blazar alcanza energías de, al menos, 500 mil millones de electronvoltios. Estos hallazgos, combinados con la dirección del neutrino, hacen que el blazar sea un candidato probable como fuente de neutrinos.

Como la creación de los neutrinos está asociada a interacciones de protones, las observaciones también pueden ayudar a resolver un viejo misterio: el origen de la radiación cósmica, descubierta por el físico Victor Hess en 1912.

Los rayos cósmicos consisten mayoritariamente en protones de altas energías. Según aclara Elisa Bernardini, investigadora principal del proyecto en MAGIC, científica de DESY Zeuthen y de la Universidad Humboldt en Berlin, el motivo de que sea tan difícil encontrar las fuentes de origen de los rayos cósmicos se debe a que “los protones de carga eléctrica positiva son desviados por los campos magnéticos en el espacio, por lo que, al no viajar en línea recta, no podemos ver la dirección de dónde vienen”.

En cambio, los neutrinos y los fotones, al no tener carga eléctrica, viajan por el universo sin desviarse. Esto permite identificar los objetos astrofísicos en los que se originaron. “El neutrino cósmico nos dice que el blazar es capaz de acelerar protones a muy altas energías y, por eso, podría ser una fuente de la radiación cósmica”, añade Bernardini.

Un protón, progenitor común

Una vez descubierta la procedencia, los telescopios MAGIC siguieron observando el blazar durante 41 horas obteniendo información adicional sobre los procesos intrínsecos dentro de la fuente.

“El resultado confirma que, aparte del neutrino, los rayos gamma son producidos parcialmente por protones de alta energía en el jet – explica Mirzoyan-, por lo que ésta es la primera vez que podemos confirmar que tanto los neutrinos como los rayos gamma proceden del mismo progenitor, el protón”.

Los científicos encontraron, además, una huella muy clara en el espectro de rayos gamma de altas energías proveniente del blazar. “Vemos una pérdida de fotones en un cierto rango de energías, -describe Bernardini-, lo que implica que el neutrino de IceCube podría haberse producido por la interacción de protones con los fotones dentro del jet del blazar”.

Estos resultados, que acaban de publicarse en la revista The Astrophysical Journal Letters, “corroboran una conexión genuina entre los mensajeros de distintas partículas: el neutrino y los fotones”, comenta Mirzoyan.

María Victoria Fonseca, Presidenta de la Junta de la Colaboración MAGIC y Catedrática de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), considera por su parte que “este trabajo pionero de coordinación entre técnicas de observación tan dispares en observatorios repartidos por todo el globo, en los lugares más extremos del Universo, abre una nueva era en la detección de los mensajeros cósmicos, ofreciéndonos una nueva perspectiva del Cosmos”.

Por su parte, Manel Martínez, presidente del comité de asignación del tiempo de observación de MAGIC e Investigador del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) en Barcelona, destaca la alta prioridad que este tipo de alertas tiene y añade que “con estas observaciones MAGIC está ya contribuyendo decisivamente a abrir las nuevas ventanas al Universo”.

La comunidad española participa en MAGIC desde sus inicios a través de varios centros de investigación públicos, entre ellos, el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), la Universidad de Barcelona (UB) y la Universidad Complutense de Madrid (UCM). Además, el centro de datos de MAGIC es el Port d'Informació Científica (PIC), una colaboración del IFAE y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

Referencia

The IceCube Collaboration et al. Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A. Science, Vol. 361, Issue 6398, 13 Jul 2018. DOI:https://doi.org/10.1126/science.aat1378


Lunes, 16 de Julio 2018
IAC/T21
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